Охрана гидросферы от загрязнения. Защита гидросферы Охрана гидросферы от загрязнения

Гидросфера включает в себя все водные ресурсы Земли:

• Мировой океан;
• подземные воды;
• болота;
• реки;
• озера;
• моря;
• водохранилища;
• ледники;
• атмосферный пар.

Все эти ресурсы относятся к условно неисчерпаемым благам планеты, но антропогенная деятельность может значительно ухудшить состояние воды. Для гидросферы глобальную проблему представляет загрязнение всех акваторий. Водная среда загрязняется нефтепродуктами и удобрениями сельского хозяйства, промышленными и твердыми бытовыми отходами, тяжелыми металлами и химическими соединениями, радиоактивными отходами и биологическими организмами, теплыми, коммунальными и промышленными стоками.

Очистка воды

Для того чтобы сохранить водные ресурсы на планете и не ухудшить качество воды, требуется проводить охрану гидросферы. Для этого нужно рационально использовать ресурсы и проводить очищение воды. В зависимости от методов очистки можно получить питьевую или техническую воду. В первом случае ее очищают от химических веществ, механических примесей и микроорганизмов. Во втором случае необходимо удалить лишь вредные примеси и те вещества, которые нельзя применять в той сфере, в которой будет использоваться техническая вода.

Методов очистки воды существует довольно много. В различных странах используются всевозможные способы очищения воды. Сегодня актуальны механические, биологические и химические методы водоочистки. Также применяется очистка окислением и восстановлением, аэробные и анаэробные методы, обработка осадков и т.д. Наиболее перспективными методиками очистки является физико-химическое и биохимическое очищение воды, но они являются дорогостоящими, поэтому не используются повсеместно.

Замкнутые водооборотные циклы

Для охраны гидросферы создаются замкнутые водооборотные циклы, и для этого используются природные воды, которые закачиваются в систему единожды. После эксплуатации воду возвращают в естественные условия, при этом она либо очищается, либо смешивается с водой из природной среды. Такой способ позволяет снизить расход водных ресурсов до 50 раз. Кроме того, уже использованную оборотную воду, в зависимости от ее температуры, применяют как охладитель или теплоноситель.

Таким образом, основные мероприятия по охране гидросферы – это ее рациональное использование и очистка. В соответствии с применяемыми технологиями рассчитывается оптимальное количество водных ресурсов. Чем экономнее вода расходуется, тем выше будет ее качество в природе.

Водные ресурсы.

Вода, занимая 71% поверхности Земли, является самым обильным и ценным ресурсом. Мировые запасы воды огромны - около 1389 млн. км 3 . Если распределить их поровну, то на каждого жителя планеты пришлось бы по 280 млрд. литров. Однако 97% водных ресурсов приходится на долю океанов и морей, в которых вода слишком соленая. Оставшиеся 3% - пресные воды. Они распределены следующим образом:

Вода составляет от 50-97% веса всех растений и животных и около 70% веса человеческого тела.

Из всей пресной воды человечество может использовать лишь 0,003%, т.к. она либо сильно загрязнена, либо залегает на больших глубинах и ее нельзя извлечь по приемлемым ценам, либо содержится в айсбергах, полярных льдах, в атмосфере и в почве.

Вода находится в постоянном круговороте, рис.1 .Этот естественный процесс рециркуляции происходит до тех пор, пока потребление воды не становится интенсивнее, чем восполняются ее запасы и пока не превышен объем отходов, делающий воду непригодной. Существует два источника пресной воды: поверхностные воды и грунтовые воды.

Рис. 1. Круговорот воды в биосфере.

Поверхностные воды – пресные воды, стекающие с определенной территории в ручьи, озера, болота и водохранилища. Территория, с которой в главную реку и ее притоки стекают поверхностные воды, с которыми могут поступать наносы и загрязняющие вещества, называется водосбросом, или водосбросным бассейном. Но использовать можно только часть годового стока.

Часть стоков имеет такую скорость, что их невозможно задержать, а другую часть необходимо оставить в реках для поддержания в них жизни. В засушливые годы суммарный объем стока значительно сокращается.

Грунтовые воды. Часть атмосферных осадков просачивается в землю и накапливается там в виде почвенной воды, заполняя поры почвы и грунта. В конечном счете большая часть почвенной влаги испаряется и возвращается в атмосферу.

Часть воды под влиянием силы тяжести перемещается вглубь и заполняет поры и трещины в слоях песка, гравия и песчаника. Зона, в которой водой заполнены все поры, называется зоной насыщения. Водопроницаемые, насыщенные водой отложения, называются водоносными горизонтами, а находящаяся в них вода – грунтовой водой. Если темпы забора воды из водоносного горизонта превышают темпы ее накопления, грунтовые воды превратятся из медленно возобновимого в невозобновимый ресурс в пределах человеческой жизни.

Подземные воды могут быть безнапорными и напорными. Безнапорные грунтовые воды находятся выше слоя водонепроницаемой горной породы или глины. Для забора безнапорных грунтовых вод используют скважины и колодцы и воду извлекают насосами.

Напорные грунтовые воды формируются между двумя водоупорными слоями (например, глина) и находятся под избыточным давлением. При вскрытии скважинами, воды могут самоизливаться на поверхность. Такие колодцы называются артезианскими. В других скважинах давление ниже и воду необходимо откачивать насосами.

Использование воды. Критериями использования воды служат показатели водозабора и водопотребления. Почти три четверти добываемой в мире воды идет на орошение, остальная вода используется в промышленности и коммунальном хозяйстве, для охлаждения оборудования на электростанциях и т.д.

На выращивание одной тонны пшеницы необходимо 1500 тонн воды, одной тонны риса – более 7000 тонн, одной тонны хлопка – 10000 тонн.

Огромное количество воды требуется для производства продовольствия и различной промышленной продукции. Прежде чем в магазине появится литровая банка консервов из фруктов или овощей, на нее будет истрачено 40 литров воды. Для производства суточной нормы пищевых продуктов на одного человека требуется около 6 м 3 воды.

Проблемы водных ресурсов

Дефицит воды. Проблема обеспечения населения достаточным количеством пресной воды является актуальной для многих районов мира. ежегодно от засухи страдает около 25 млн. человек, из которых около 20 тыс. погибает. Серьезные засухи, приводящие к голоду и болезням, периодически отмечаются в 80 странах, большей частью Азии и Африки, в которых проживают 40% населения мира. Почти 150 из 214 крупнейших рек мира используются двумя и более странами. В этих государствах возникают споры и конфликты из-за пользования водой.

Избыток воды. Переизбыток осадков приводит к наводнениям. В Индии, например, 90% осадков выпадает с июня по сентябрь. В 1980-х годах от сильных наводнений пострадало около 15 млн. человек. Ежегодно погибало около 5000 человек, а материальный ущерб составил несколько десятков миллиардов долларов. Наводнения и засухи считаются стихийными бедствиями. Однако, начиная с 1960-х годов причиной резкого увеличения числа погибших во время наводнений стала деятельность человека. Уничтожение растительности и почв, удерживающих влагу, строительство дорог и других сооружений способствует быстрому стоку дождевой воды.

Зараженная питьевая вода. В 1983 г. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) подсчитала, что 61% сельского и 26% городского населения развивающихся стран, т.е. 1,5 млрд. человек, используют грязную воду. Ежегодно от холеры, дизентерии и др. заболеваний, передающихся через воду, умирает около 5 млн. человек (в среднем 13700 чел. в день).

Основные источники загрязнения вод. Из всего объема отбираемой воды только 1/4 используется безвозвратно, 3/4 воды возвращается со сточными водами. Даже после очистки сточные воды необходимо разбавлять чистой водой. Во всем мире на обезвреживание стоков затрачивается 5500 км 3 чистой воды, т.е. 30% стока планеты. Основные источники загрязнения воды приведены на рис.2

Загрязнения можно разделить на несколько групп. По физическому состоянию – нерастворимые, коллоидные и растворимые. По составу – минеральные, органические, бактериальные и биологические.

Минеральные представлены песком, глиной, минеральными солями, растворами кислот, щелочей и др.

Органические – могут быть растительного, животного происхождения, а также содержать нефть и продукты, из нее получаемые, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВы).

Бактериальное и биологическое загрязнения – стоки предприятий пищевой и легкой промышленности, хозяйственно-бытовые стоки (стоки из туалетов, кухонь, душевых, прачечных, столовых и т.д.). На многих промышленных предприятиях вода используется как теплоноситель, растворитель, входит в состав продукции, применяется для мойки, обогащения, очистки сырья и продукции.

Кроме того во многих технологических процессах используются синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВы). В настоящее время это один из самых распространенных химических загрязнителей, с которым трудно бороться. СПАВы могут оказывать отрицательное влияние на качество воды, самоочищающую способность водоемов, организм человека, а так же усиливать неблагоприятное действие других веществ.

Немаловажным источником загрязнения являются пестициды, которые попадают в водоемы с дождевыми и талыми водами с поверхности почвы. При авиаобработке полей препараты сносятся потоками воздуха и осаждаются на поверхности водоема.

Значительным источником загрязнения водоемов нефтью и нефтепродуктами является нефтяная промышленность. Попадание нефти в водоемы происходит при смывах дождевыми и талыми водами разлитых на поверхность земли нефтепродуктов, при прорывах нефтепроводов, со сточными водами предприятий и др.

Большую опасность для водоемов представляют кислотные дожди.

Влияние нефти на водоем.

Плохо очищенные нефтесодержащие стоки способствуют образованию на поверхности водоема нефтяной пленки, толщиной 0,4-1 мм.

Одна тонна нефти может покрыть от 150 до 210 га водоема. При наличии нефтяной пленки резко падает количество растворенного в воде кислорода, т.к. кислород, содержащийся в воде расходуется на окисление нефтепродуктов, а новая порция не растворяется.

Уменьшение О 2 резко сказывается на жизнедеятельности организмов и рыб. Угнетение дыхания рыб наблюдается при содержании О 2 4,5 мг/л, а некоторых даже при 6-7,5 мг/л.

Из нефтяной пленки с поверхности водоема легкие фракции испаряются, водорастворимые - растворяются в воде, а тяжелые прилипают к твердым, взвешенным в воде частицам и оседают на дно и там скапливаются.

Опустившиеся на дно тяжелые остатки продолжают угнетать жизнь водоема: часть их разлагается на дне, загрязняя воду растворимыми продуктами распада, а часть вновь выносится на поверхность с выделяющимися со дна газами. Каждый пузырек донного газа, выходя на поверхность воды, лопается, образуя нефтяное пятно.

Образование донного осадка приводит к отравлению им зоо- и фитопланктона, служащего пищей для рыб.

Нефть и нефтепродукты придают воде нефтяной запах и привкус, в следствии чего вода водоема становится непригодной для водоснабжения.

При наличии в воде 0,2-0,4 мг/л нефти вода приобретает нефтяной запах, который не устраняется даже при фильтровании и хлорировании. Нефтяной запах распространяется на большие расстояния, чем какие-либо другие загрязнения.

Для рыб наиболее токсичны легкие фракции нефти, особенно ароматические углеводороды. Они способны накапливаться в тканях рыб и, попадая в организм человека, вызывать в жировых клетках образование канцерогенно-белкового комплекса. Мальки, вылупившиеся из икры загрязненной рыбы, имеют мутогенные нарушения (отсутствие жабр, две головы и др.)

Введение

Водные запасы на Земле огромны, они образуют гидросферу - одну из мощных сфер нашей планеты. Гидросфера, литосфера, атмосфера и биосфера взаимосвязаны, проникают одна в другую и находятся в постоянном, тесном взаимодействии. Все сферы в своем составе имеют воду. Водные ресурсы слагаются из статических (вековых) запасов и возобновляемых ресурсов. Гидросфера объединяет Мировой океан, моря, реки и озера, болота, пруды, водохранилища, полярные и горные ледники, подземные воды, почвенную влагу и пары атмосферы.

Вода - одна из наиболее важных жизнеобеспечивающих природных сред, образовавшихся в результате эволюции Земли. Она является составной частью биосферы и обладает целым рядом аномальных свойств, влияющих на протекающие в экосистемах физико-химические и биологические процессы.

Гидросфера и ее охрана от загрязнения

Загрязнение - видимое или невидимое, на суше, воздухе или воде - является в настоящее время нежелательной, но так хорошо знакомой частью нашей жизни. Загрязнение может быть описано как внесение человечеством веществ или материалов, которые ухудшают качество окружающей среды. Эти вещества (поллютанты) вносятся в окружающую среду человеком, а не в результате естественных высачиваний нефти или извержений вулканов, которые могут быть названы естественными поллютантами. Многие поллютанты являются синтетическими веществами, чуждыми, а поэтому опасными для нас и других организмов.

Воздействие человека на живые ресурсы биосферы, в том числе Мирового океана, в наше время не ограничивается только изъятием биопродукции, культивированием и изменением состава и численности популяций. На протяжении последних десятилетий особенно быстро нарастает и расширяется влияние индустриализации и урбанизации современного общества, интенсификации и химизации сельского хозяйства и иных атрибутов научно-технического прогресса, которые сопряжены с загрязнением биосферы и появлением новых экологических факторов. Особое место в этой сложной и многоплановой проблеме занимают вопросы загрязнения Мирового океана. Многие, если не большинство, из токсических веществ, вышедших из-под контроля человека на суше, попадают в конечном счете в морскую среду, создавая ситуацию локального, регионального или глобального загрязнения морей и океанов.

За последнее время большую тревогу вызывает загрязнение морей и Мирового океана в целом (фоновое загрязнение). Глобальное (фоновое) загрязнение гидросферы определяется главным образом атмосферным переносом и выведением загрязняющих веществ из атмосферы. За исключением сырой нефти, все загрязняющие вещества поступают в Мировой океан в значительной мере через атмосферу. Ежегодно сжигается и выбрасывается в атмосферу свыше 109 тонн твердых, паро- и газообразных соединений. В атмосферных аэрозолях и выпадениях на океан обнаружены в заметных количествах такие продукты как ДДТ, полихлорированные бифенилы, ртуть, свинец, зола.

Основные источники загрязнения - бытовые и промышленные сточные воды (в прибрежных районах сосредоточено 60% крупных городов), нефть и нефтепродукты, радиоактивные вещества. Особо опасны загрязнения нефтью и радиоактивными веществами. Предприятия приморских городов выбрасывают в море тысячи тонн различных, как правило, неочищенных отходов, в том числе канализационные стоки. В моря выносятся загрязненные речные воды. Нефть и нефтепродукты попадают в воду в результате промывки цистерн, емкостей, в которых транспортируется нефть. Огромное количество нефти попадает в океан и в моря при авариях танкеров, нефтепроводов на нефтепромыслах, при разведке и эксплуатации нефтяных месторождений в зоне материковых шельфов. При авариях нефтяных скважин в море выбрасываются многие тысячи тонн нефти.

Загрязнение является причиной гибели морских животных, ракообразных и рыб, водоплавающих птиц, тюленей. Известны случаи гибели около 30 тыс. морских уток, массовой гибели морских звезд в начале 1990-х в Белом море. Нередки случаи закрытия пляжей в связи с опасными концентрациями загрязняющих веществ в морской воде.

К сожалению, сохранить в широких масштабах неприкосновенность и первозданное состояние природных вод при современных темпах развития общества и научно-технического прогресса практически невозможно, поскольку деятельность человека глубоко затрагивает все звенья биосферы, в том числе и гидросферу.

16.5. Защита гидросферы

16.5.1. Законодательство и охрана водных ресурсов

Водное законодательство включает Водный кодекс Российской Федерации и принимаемые в соответствии с ним федеральные законы и иные нормативные правовые акты, а также законы и иные нормативные правовые акты субъектов РФ (республик, краев, областей).

Целью водного законодательства является регулирование отношений в области использования и охраны водных объектов. Согласно Водному кодексу использование водных объектов для питьевого и хозяйствен- но-бытового водоснабжения является приоритетным. Для указанного вида водоснабжения необходимо использовать защищенные от засорения и загрязнения поверхностные и подземные водные объекты.

Согласно Водному кодексу РФ запрещается ввод в эксплуатацию:

любых объектов, которые не оборудованы очистными сооружениями и устройствами, предотвращающими засорение, истощение и загрязнение водных объектов;

сбросных и водосборных сооружений, а также гидротехнических сооружений (ГТС) без рыбозащитных устройств;

объектов промышленности, сельского хозяйства и других комплексов, которые не имеют санитарно-защитных зон;

оросительных, обводнительных и осушительных систем, водохранилищ, плотин, каналов и других ГТС до реализации мероприятий, которые предотвращают их вредное воздействие на водные объекты.

16.5.2. Схемы комплексного использования и охраны вод

Для разработки комплексных мероприятий, имеющих целью удовлетворение перспективных потребностей в воде населения и народного хозяйства в сочетании с охраной вод, предварительно составляются генеральные, бассейновые и территориальные схемы.

Генеральные схемы комплексного использования и охраны вод содержат принципиальные направления развития водного хозяйства страны, что позволяет достаточно четко определить технико-экономическую целесообразность и очередность проведения наиболее крупных водохозяйственных мероприятий. На основе генеральной схемы разрабатываются бассейновые схемы для бассейнов рек и других водных объектов. Территориальные схемы разрабатываются на основе генеральной и бассейновой схем и охватывают конкретные экономические районы страны и субъекты Российской Федерации.

В целях координации деятельности различных водопользователей, направленной на восстановление и охрану водных объектов в пределах бассейна, Водный кодекс РФ требует составления так называемого бассейнового соглашения о восстановлении и охране водных объектов. Такие соглашения заключаются между специально уполномоченным государственным органом управления использованием и охраной водного фонда и органами исполнительной власти субъектов Федерации, которые расположены в пределах бассейна водного объекта, например, озера Байкал.

16.5.3. Защита поверхностных вод

К поверхностным относятся воды , постоянно или временно находящиеся на земной поверхности, водные объекты любого (твердого, жидкого) физического состояния. Это воды рек, временных водотоков, озер, водохранилищ, прудов, водоемов, болот, ледников и снежного покрова.

Поверхностные воды необходимо охранять от засорения, истощения и загрязнения . В целях предупреждения засорения осуществляют мероприятия, которые исключают попадание в них мусора, твердых отходов и других предметов, отрицательно воздействующих на качество вод и условия обитания гидробионтов. Строгий контроль за минимально допустимым стоком вод, ограничение их нерационального потребления способствуют защите поверхностных вод от истощения . Наиболее важной и притом самой сложной проблемой является защита поверхностных вод от загрязнения . С этой целью предусматривается ряд мероприятий, в частности: мониторинг водных объектов; создание водоохранных зон; развитие безводных технологий, а также систем оборотного (замкнутого) водоснабжения; очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и других) или их закачка в глубокие водоносные горизонты; очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для питьевого водоснабжения и других целей; надлежащий государственный контроль за использованием и охраной водных объектов.

16.5.4. Водоохранные зоны

В целях поддержания водных объектов в состоянии, которое соответствует экологическим требованиям, исключает загрязнение, засорение и истощение поверхностных вод и сохраняет среду обитания животных и растений, должны быть установлены водоохранные зоны . Ими являются территории, примыкающие к акватории; на них устанавливается специальный режим использования и охраны природных ресурсов, а также осуществления иной деятельности.

В пределах указанных зон устанавливаются прибрежные защитные полосы , где не разрешается распахивать землю, рубить лес, размещать фермы и т. п.

Согласно Водному кодексу РФ на правительство страны возложена обязанность установления размеров и границ водоохранных зон и их прибрежных защитных полос. Так, минимальная ширина прибрежных защитных полос для озер в расчете от среднемноголетнего уреза в летний период и для водохранилищ от уреза воды при нормальном подпорном уровне при акватории до 2 км 2 составляет 300 м, более 2 км 2 – 500 м.

Аналогичный показатель для рек определяется длиной реки: от истока до 10 км – 15 м; от 11 до 50 км – 100 м; от 51 до 100 км – 200 м; от 201 до 300 км – 400 м; свыше 500 км – 500 м.

Очень большое значение в деле охраны поверхностных вод от засорения и загрязнения имеют водоохранные лесные насаждения вокруг естественных и искусственных водоемов и водотоков для защиты их от разрушительных действий ветров и поступающей в них с водосбора воды, а также для уменьшения потерь воды на испарение. Они улучшают водный режим водоемов, санитарно-гигиенические условия побережья и его ландшафтно-декоративное оформление, качество воды в водоемах, уменьшают их заиление, сокращают потери земельных угодий из-за переработки берегов волнами (абразии). Водоохранные лесные насаждения вокруг питьевых водохранилищ должны удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевым водохранилищам. Поэтому в их состав входят до 50 % хвойных пород, которые размещают в крайних 2–3 рядах со стороны водохранилища для защиты его зеркала от опадающих листьев. Наряду с хвойными в эти насаждения следует вводить лиственные породы, обладающие большой фитонцидной способностью (липа, тополь, черемуха и др.).

16.5.5. Очистка бытовых сточных вод

При очистке сточных вод (СВ) производится разрушение или извлечение из них вредных веществ.

Канализация – это комплекс инженерно-технических сооружений и санитарных мероприятий, которые обеспечивают сбор и удаление за пределы населенных мест и предприятий загрязненных СВ, их очистку, обезвреживание и обеззараживание (уничтожение опасных микроорганизмов).

Канализационные системы подразделяются на общесплавные, раздельные и полураздельные .

При общесплавной системе все виды СВ из городских кварталов плюс поверхностный сток отводят от одной сети трубопроводов. Для такой системы характерны периодические сбросы части производствен- но-бытовых СВ в водные объекты через ливневые спуски. В силу этого рекомендуется отказываться от проектирования общесплавных систем канализации для новых населенных пунктов.

При раздельной системе канализации устраивают две сети трубопроводов: хозяйственно-бытовые и промышленные СВ подаются по производственно-бытовой сети на очистные сооружения, а дождевые, талые и поливные воды в ближайший водный объект.

Полураздельная система канализация является, как считают специалисты, наиболее перспективной с точки зрения охраны водных объектов от загрязнения поверхностным стоком из городов. При этом на очистку отводят все производственно-бытовые СВ города и большую часть поверхностного стока.

Очистка бытовых СВ может осуществляться механическими и биологическими методами . При механической очистке СВ разделяют на жидкую и твердую часть. Жидкая далее подвергается биологической очистке, которая может быть естественной и искусственной . Естественная биологическая очистка СВ осуществляется на земледельческих полях орошения и фильтрации, а также в биологических прудах и т. п. (рис. 25). Искусственная биологическая очистка проводится на специальных сооружениях (биофильтрах, аэротенках) . Образующийся при этом ил обрабатывают на иловых площадках или в специальных устройствах – метатенках .

Производственные СВ предварительно проходят локальные очистные сооружения , где освобождаются от взвешенных частиц или специфических токсичных компонентов с использованием механических, химических или физико-химических методов очистки.

Рис. 25. Схема очистки сточных вод с использованием полей орошения: 1 – канализационный коллектор; 2 – канализационный колодец; 3 – решетка; 4 – дробилка; 5 – песколовка; 6 – песковые площадки; 7 – отстойник; 8 – метатенк; 9 – иловые площадки; 10 – аэротенк; 11 – вторичный отстойник; 12 – распределительный колодец; 13 – карты полей орошения; 14 – дренаж; 15 – биологический пруд; 16 – использование воды для технических целей; 17 – выпуск в водоем

Для механической очистки

- решетки , на которых задерживаются грубые примеси размером больше 5 мм;

- сита , задерживающие примеси СВ размером до 5 мм;

- песколовки , служащие для задержания минеральных загрязнений СВ, преимущественно песка;

- жироловушки, маслоловушки, нефтеловушки, смололовушки для улавливания из СВ соответствующих загрязнений, более легких, чем вода;

- отстойники для осаждения взвешенных веществ с удельным весом больше единицы.

Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием сил тяжести частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения их вместе с водой в резервуаре оседают на дно. В соответствии с закономерностями гидравлики потока песчинки уносятся вместе с водой только при определенной скорости течения. При снижении этой скорости крупинки песка оседают на дно резервуара, а вода течет дальше.

Для очистки СВ от нефтепродуктов также широко применяется метод отстаивания. В основе процесса отстаивания лежит принцип выделения нефтепродуктов под действием разности плотностей воды и частиц масла. На этом же принципе функционируют жироловушки, маслоловушки и смололовушки.

Для биологической очистки применяют следующие сооружения:

Поля фильтрации – участки земли, приспособленные для естественной биологической очистки сточных вод путём фильтрации их через почвенные горизонты. Устраивают на песчаных, супесчаных и суглинистых почвах с хорошими фильтрационными свойствами.

Поля орошения – участки земли, подготовленные для естественной биологической очистки сточных вод и выращивания сельскохозяйственных растений, потребляющих питательные вещества, содержащиеся в сточных водах.

Необходимо отметить, что орошение биологически очищенными СВ не исключает возможности загрязнения почвы и выращиваемых культур патогенными бактериями и яйцами глистов.

Биологические пруды – пруды, используемые для биологической очистки сточных вод. Действуют по принципу самоочищения воды живущими в ней организмами, в результате чего накапливается илообразная масса, которая может быть использована в сельском хозяйстве в качестве удобрения или как сырье для его производства. При этом различают пруды с естественной и искусственной аэрацией (с помощью механических аэраторов). В окислительных процессах большую роль играет водная растительность, которая способствует снижению концентрации биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема. Общее время пребывания СВ в прудах составляет несколько суток.

Сооружения искусственной биологической очистки . В основе биологической очистки лежит процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в СВ. Биологическое окисление осуществляется активным илом – сообществом микроорганизмов, которое включает множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Аэротенки (от аэро... и англ. tank – резервуар) – ряд определенным образом построенных бассейнов в системе очистных сооружений для сточных вод, в которых имеется активный ил и куда подается кислород. Микроорганизмы в присутствии кислорода энергично минерализуют органические вещества из поступающих сточных вод и способствуют, таким образом, очищению воды.

Биофильтры являются примерами применения биотехнологии в охране окружающей среды. Они находят широкое применение при суточных расходах бытовых и производственных СВ до 20–30 тыс. м 3 /сут. Биофильтр (рис. 26) представляет собой резервуар, который заполняется загрузочным материалом (гравий, керамзит, шлак) слоем высотой 2–4 м. Сточная вода подается выше поверхности загрузочного материала; равномерно распределяется через загрузочный материал, на поверхности которого образуется биологическая пленка (биоценоз), аналогичная активному илу. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем, сквозь отверстия которого обработанная СВ поступает на сплошное днище биофильтра и с помощью лотков направляется в отстойник.

Рис. 26. Схема биофильтра: 1 – подача СВ; 2 – распределитель СВ; 3 – загрузочный материал; 4 – поддерживающая решетка; 5 – отведение очищенных СВ

Обеззараживание прошедших стадию биологической очистки СВ, а также не прошедших таковую проводят путем контакта с газообразным хлором, хлорной известью, а также гипохлоритом натрия, получаемым на месте в электролизере или привозным. В последние годы интенсивно внедряются методы обеззараживания СВ при помощи озона и УФ-лучей, а также электроимпульсного разряда.

Химические методы применяются главным образом для очистки производственных СВ. Основными приемами являются нейтрализация и окисление-восстановление.

Производственные технологические процессы проходят как в кислых (избыток ионов Н +), так и в щелочных (избыток ОН - ) средах, что приводит к появлению соответствующих стоков. Сбалансировать количество ионов Н и ОН – в этом состоит суть метода нейтрализации при очистке стоков.

Наиболее рациональным является взаимное объединение кислых и щелочных стоков. Водоотведение кислых и щелочных стоков по единой системе трубопроводов не всегда целесообразно, так как это может вызвать выпадение осадков в трубах и, как следствие, засорение сети.

Для нейтрализации кислых вод применяют щелочные реагенты: СаО, гашеную известь Са(ОН) 2 , кальцинированную соду Na 2 CO 3 , каустическую соду NаОН, аммиачную воду, а также фильтрацию через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, магнезит, мел).

Для нейтрализации щелочных вод наиболее часто применяются кислоты: серная Н 2 SО 4 , соляная НСl, азотная HNО 3 , реже уксусная СН 3 СООН. Возможно использование для этих целей дымовых газов, содержащих СО 2 , SО 2 , NO x .

СВ, содержащие окисленные переменновалентные элементы (Cr 6+ , Cl - , Cl 5+ , N 3- , N 5+ и др.), как правило, обезвреживаются в две ступени. На первой элементы, находящиеся в высшей (или высокой) степени окисления, восстанавливаются до низшей (или промежуточной) валентности, при которой данный элемент на второй ступени очистки может быть выделен из жидкой фазы в виде осадка, газа или переведен в малотоксичную форму.

Окислительный метод применяется при очистке промышленных СВ от токсичных цианидов, сульфидов, меркаптанов, фенолов, крезолов и т. д. Реагентами для этого метода являются хлор и его производные (гипохлориты, диоксид, хлораты), кислород, озон, перманганаты, хроматы и бихроматы, пероксид водорода. Восстановительный метод применяется для очистки СВ от нитритов и нитратов, хроматов и бихроматов, хлоратов и перхлоратов, сульфатов, броматов, иодатов. Восстановителями в этом случае выступают окисленные переменновалентные элементы, содержащиеся в сульфатах, сульфидах, солях двухвалентного железа, диоксиде серы (из дымовых газов).

Физико-химические методы так же, как и химические, в основном применяются для очистки производственных СВ. Однако в последнее время некоторые из них стали применяться и при очистке городских СВ. К физико-химическим методам относятся:

коагуляция – процесс укрупнения коллоидных частиц в жидкости за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия. При первоначальном размере частиц 0,001–0,1 мкм после коагуляции их величина достигает 10 мкм и более, т. е. тех размеров, при которых они могут быть выделены механическими методами. Коагуляция не только приводит к слипанию частиц, но и нарушает агрегативную устойчивость полидисперсной системы, в результате чего происходит разделение твердой и жидкой фаз. Как и при очистке природных вод, наибольшее распространение получили алюмо- и железосодержащие коагулянты;

- флокуляция – укрупнение мелкодисперсных частиц за счет электростатического взаимодействия под влиянием специально вводимых полиэлектролитов – флокулянтов. В практике водоочистки наибольшее распространение получили активированная кремнекислота и полиакриламид;

- флотация – процесс выделения из воды в пенный слой взвешенных и эмульгированных загрязнений за счет пузырьков газа, предварительно растворенных в очищаемой жидкости;

- сорбция – поглощение твёрдым телом или жидкостью вещества из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое им вещество – сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция); поверхностным слоем твёрдого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция эффективна для глубокой очистки производственных СВ от растворенных органических и некоторых неорганических загрязнений.

Следует отметить, что в воде, подаваемой на адсорбционную очистку, концентрация взвешенных веществ не должна превышать 2 мг/л во избежание закупоривания рабочих пор.

В качестве сорбентов применяют различные естественные и искусственные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, цеолиты, активные глины и др. В наибольшей степени для этих целей применяются активированные угли, удельная поверхностная адсорбция которых достигает 400–900 м 2 /г.

Существенным препятствием к широкому применению адсорбционной очистки в практике водообработки является дефицитность активированных углей и сложность процессов их регенерации.

Адсорбцию наиболее целесообразно применять для очистки мало концентрированных по органическим веществам стоков.

Для более концентрированных (более 2 г/л) СВ, содержащих органические загрязнения, представляющие техническую ценность, эффективным методом очистки является экстракция . Метод основан на смешивании двух взаимонерастворимых жидкостей (одна из которых сточная вода) и распределении в них согласно растворимости загрязненного вещества.

В качестве экстрагентов используют различные органические вещества: ацетон, хлороформ, бутилацетат, толуол и т. д.

Ионный обмен – извлечение катионов и анионов из СВ при помощи ионитов , являющихся твердыми природными или искусственными материалами (например, искусственные ионообменные смолы). Извлеченные при помощи ионного обмена вещества не разрушаются, а концентрируются, благодаря чему имеется возможность их утилизации или ликвидации. Катиониты вступают в обмен с катионами, аниониты – с анионами.

Несмотря на эффективность и экологичность, ионообменный метод не нашел широкого применения в промышленности из-за дефицита ионообменных смол, необходимости организации реагентного хозяйства для регенерации и сложности утилизации элюатов (экстракт из сорбента).

16.5.6. Бессточное производство

Подсчитано, что 1 м 3 неочищенной СВ, поступивший в природный водный объект, может практически погубить десятки, а то и сотни м 3 чистой воды, создав тем самым неприемлемые условия для жизнедеятельности гидробионтов. Поэтому ученые разрабатывают новые бессточные технологии, что практически полностью решит проблему защиты водоемов от загрязнения. Их повсеместное внедрение в практику - дело отдаленного будущего, а на первом этапе необходимо использовать те технологии водообеспечения, которые характеризуются минимальным потреблением свежей воды. При замкнутой технологии предприятие забирает воду из природного источника, использует её для производства продукции, после чего образовавшаяся СВ подвергается глубокой очистке и вновь возвращается в цикл. Имеющиеся небольшие потери воды, например при испарении, пополняются посредством забора свежей воды.

Ныне в ряде отраслей промышленности частично реализованы замкнутые водооборотные схемы с локальной очисткой. Так, в нефтехимической промышленности оборотное водоснабжение сэкономило 90 % воды производственного назначения.

16.5.7. Защита подземных вод

Поверхностная гидросфера неразрывно связана с атмосферой, подземной гидросферой, литосферой и другими компонентами окружающей природной среды. Поэтому, учитывая взаимосвязь всех ее экосистем, нельзя обеспечить чистоту поверхностных водоемов и водотоков без соответствующей защиты подземных вод. Она заключается в предотвращении истощения запасов подземных вод и предохранении их от загрязнения.

В целях борьбы с истощением запасов пресных подземных вод, являющихся стратегическим резервом для питьевого водоснабжения будущих поколений, предусматриваются следующие мероприятия: 1) рациональное размещение водозаборов по площади; 2) регулирование режима водоотбора подземных вод; 3) уточнение величины эксплуатационных запасов (чтобы не допустить их истощения); 4) для самоизливающихся артезианских скважин установление кранового режима эксплуатации. Иногда для профилактики истощения подземных вод применяют искусственное пополнение их посредством перевода части поверхностного стока в подземный.

Борьба с загрязнением подземных вод включает профилактические и специальные мероприятия, задача последних локализовать или ликвидировать очаг загрязнения. Профилактические меры являются основными, поскольку требуют наименьших затрат. Специальные мероприятия должны быть направлены в первую очередь на изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта (противофильтрационные стенки, завесы), перехват загрязненных подземных вод с помощью дренажа или откачки их из специальных скважин.

Важнейшей профилактической мерой предупреждения загрязнения подземных вод в районах водозаборов служит устройство вокруг них зон санитарной защиты.

Зоны санитарной защиты (ЗСЗ) состоят из трех поясов. Первый пояс включает территорию на расстоянии 30–50 м непосредственно от места водозабора (скважины). Это зона строгого режима, в ней запрещено присутствие посторонних лиц и проведение работ, не связанных с эксплуатацией водозабора. Второй пояс ЗСЗ служит для защиты водоносного горизонта от бактериальных загрязнений, а третий – от химических загрязнений. Здесь запрещается размещение любых объектов, которые могут вызвать то или иное загрязнение, например животноводческих комплексов, не допускается рубка леса, использование ядохимикатов и др.

Мероприятия по охране воды от загрязнения

Охрана воды от загрязнения проводится в соответствии с СанПиН №4630-88 «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения». Установлены предельно-допустимые концентрации вредных веществ в воде.

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения вредными веществами предусматривает комплекс мер: разработку соответствующих законодательных актов; организацию мониторинга водных объектов; охрану поверхностных и подземных вод; подготовку воды, используемой в питьевых и хозяйственных целях; государственный контроль над использованием и охраной водных ресурсов.

Главная роль в охране вод играет государственный учёт поверхностных и подземных вод, который осуществляется в целях текущего и перспективного планирования рационального использования водных ресурсов, их восстановления и охраны. Своды систематизированных данных о водных объектах, водных ресурсах, режиме, качестве и использованию вод, а также о водопользователях включается в водный кадастр . Важной и сложной проблемой является защита поверхностных вод от загрязнения .

Поверхностные воды охраняются от засорения, истощения и загрязнения. Для предупреждения засорения осуществляют мероприятия, которые исключают попадание в них мусора, твердых отходов и других предметов, отрицательно воздействующих на качество вод и условия обитания гидробионтов. Строгий контроль за минимально допустимым стоком вод, ограничение их нерационального потребления способствуют защите гидросферы от истощения.

С целью защиты поверхностных вод от загрязнения предусматривается ряд мероприятий: мониторинг водных объектов; создание водоохранных зон; развитие безотходных и безводных технологий; внедрение систем оборотного водоснабжения; очистка промышленных и бытовых сточных вод; очистка и обеззараживание поверхностных и подземных вод, используемых для питьевых целей; наличие водоохранных лесных насаждений (до 50% хвойные породы, липа, тополь).

Мероприятия технологического характера

Меры технологического характера имеют целью разработку и применение безотходных производственных технологий, максимальное осуществление утилизации различных компонентов сырья и побочных продуктов производства. На промышленных предприятиях проводится замена токсичных продуктов на менее токсичные, внедряется бессточное производство. Перед сбросом сточных вод в водоемы предусматривается устройство очистных сооружений, сбросы осуществляются в разное время суток.

Существует несколько перспективных путей снижения количества загрязненных сточных вод: разработка и внедрение безводных технологических процессов; усовершенствование существующих процессов; разработка и внедрение более совершенного оборудования; внедрение аппаратов воздушного охлаждения; повторное использование очищенных сточных вод.

Наиболее рациональный способ сокращения объема сточных вод - создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения, исключающих сброс воды в водоемы. При таком водоснабжении предусматривается необходимая очистка сточной воды, охлаждение оборотной воды, обработка и повторное использование. Применение оборотного водоснабжения позволяет в 20-50 раз уменьшить потребление природной воды. Создание замкнутых систем технического водоснабжения с извлечением данных компонентов предусматривается при строительстве новых и реконструкции старых производств.

Организация зон санитарной защиты

Важное место в охране воды от загрязнения принадлежит организации и эксплуатации зон санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого водоснабжения. Водоохранными зонами являются территории, примыкающие к акватории рек, водохранилищ и других поверхностных водных объектов. Зоны санитарной охраны устанавливаются в целях охраны водных объектов, используемых для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, а также содержащих природные лечебные ресурсы и организуются в составе трех поясов: первый пояс (строгого режима), второй (пояс ограничений для защиты от возможного микробного загрязнения), третий (пояс ограничений для защиты от возможного химического загрязнения). Границы поясов и комплекс проводимых мероприятий устанавливаются в зависимости от вида водоисточников, степени их защищенности, возможности загрязнения, особенности санитарного состояния.

Пояс строгого режима включает территорию водозабора, водоподъемные устройства, головные сооружения, водопроводящий канал. Он предназначен для защиты места водозабора и водозаборных сооружений от случайного или умышленного загрязнения или повреждения.

Первый пояс ограждается и охраняется. Границы первого пояса водопровода из водоисточника устанавливается в радиусе 30-50 м. Первый пояс водопровода из открытого проточного водоема устанавливается на расстоянии 200 м вверх по течению, 100 м вниз по течению, 100 м по прилегающему к водозабору берегу от линии уреза воды.

Пояса ограничений включают территорию, предназначенную для предупреждения загрязнения воды источников водоснабжения. Размещение на этой территории различных объектов контролируется органами санитарно-эпидемиологической службы. В пределах второго и третьего поясов ограничивается строительство, спуск сточных вод, не разрешается использование водоема в спортивных и прочих целях.

Граница второго пояса поверхностных источников на водоеме должна быть удалена по акватории во все стороны от водозабора на 3-5 км, а боковые границы должны быть расположены на расстоянии 500-1000 м от уреза воды при летне-осенней межени. Граница третьего пояса на водоеме совпадает с границей второго пояса.

Размеры второго пояса для подземных источников определяются гидродинамическими расчетами, исходя из условий, что микробное загрязнение, поступающее в водоносный пласт за пределами второго пояса, не достигает водозабора. Основным параметром, определяющим границы второго пояса, является время продвижения микробного загрязнения с потоком подземных вод к водозабору. Это время зависит от типа водозабора, гидрологических условий, степени защищенности подземных вод. Граница третьего пояса также определяется гидродинамическими расчетами с учетом времени продвижения химического загрязнения к водозабору.

Очистка бытовых сточных вод

При очистке сточных вод производится разрушение или извлечение из них вредных веществ.

Очистка бытовых сточных вод осуществляется канализацией – комплексом инженерно-технических сооружений и санитарных мероприятий, которые обеспечивают сбор, удаление, очистку, обеззараживание и обезвреживание сточных вод механическими и биологическими методами. При механической очистке сточные воды разделяют на жидкую и твердую части. Жидкая далее подвергается биологической очистке, которая может быть естественной и искусственной. Естественная биологическая очистка осуществляется на земледельческих полях орошения и фильтрации, а также в биологических прудах. Искусственная биологическая очистка проводится на специальных сооружениях (биофильтрах, аэротенках). Образующийся при этом ил обрабатывают на иловых площадках или в специальных устройствах – метатенках. Биологические пруды предназначены для глубокой очистки бытовых и производственных сточных вод, предварительно прошедших очистку на локальных очистных сооружениях. Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. В окислительных процессах большую роль играет водная растительность, которая способствует снижению биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема.

В основе биологической очистки лежит процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в сточных водах. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), который включает множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

При суточных расходах бытовых сточных вод до 20 - 30 тыс. м 3 /сут широкое применение находят биофильтры, представляющие собой резервуар, который заполняется загрузочным материалом (гравий, керамзит, шлак). Сточная вода подается выше поверхности загрузочного материала; равномерно над ней распределяется через загрузочный материал, на поверхности которого образуется биологическая пленка (биоценоз), аналогичный активному илу в аэротенке.

Обеззараживание сточных вод , прошедших и не прошедших стадию биологической очистки, проводят газообразным хлором, хлорной известью и гипохлоритом натрия. Внедряется также обеззараживание озоном, УФ-лучами и электроимпульсным разрядом.

Место выпуска сточных вод должно быть расположено ниже его границы по течению водотока.

Очистка производственных сточных вод

Методы очистки производственных сточных вод подразделяются на механические, химические, физико-химические и биологические.

Для механической очистки применяются решетки, на которых задерживаются грубые примеси размером больше 5 мм; сита, задерживающие примеси размером до 5 мм; песколовки, служащие для задержания минеральных загрязнений; жироловки, маслоловушки, нефтеловушки, смолоуловители для улавливания соответствующих загрязнений, более легких, чем вода; отстойники для осаждения взвешенных веществ с удельным весом больше единицы.

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляется до 90 % нерастворимых механических примесей различного характера (песок, глинистые частицы, окалина и другие), а из бытовых - до 60 %.

В целях очистки сточных вод от нефтепродуктов также широко применяется метод отстаивания, который в данном случае основан на способности самопроизвольного разделения воды и нефтепродуктом

Частицы последних под действием сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму, и их размеры находятся в диапазоне от 2 до 3х10 2 мкм. В основе процесса отстаивания лежит принцип выделения нефтепродуктов под действием разности плотностей воды и частиц масла. Содержание нефтепродуктов в стоках находится в широких пределах и составляет в среднем 100 мг/дм 3 .

Выделение нефтепродуктов производится в нефтеловушках. Грязная вода подается в приемную камеру и, пройдя под перегородкой, попадает в отстойную камеру, где и происходит процесс разделения воды и нефтепродуктов. Очищенная вода выводится из нефтеловушки, а нефтепродукты образуют пленку на поверхности воды и удаляются специальным устройством. Подобным образом устроены жироловушки, маслоловушки и смололовушки, использующие принцип разности плотности воды и загрязнений, более легких (например, масло), чем вода.

Основными приемами химических методов являются нейтрализация, окисление и восстановление. Они могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими.

В целях нейтрализации кислых вод применяют щелочные реагенты: известь СаО, гашеную известь Са(ОН) 2 , кальцинированную соду Na 2 CO 3 , каустическую соду NaOH, аммиачную воду, а также фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, магнезит, мел).

Для нейтрализации щелочных вод наиболее часто применяются кислоты: серная, соляная, азотная, реже уксусная. Возможно использование для этих целей также дымовых газов, содержащих СО 2 , SО 2 , NO X .

Сточные воды, содержащие окисленные переменновалентные элементы (Cr 6+ , Cl - , C1 5+ , N 3+ , N 5+ и др.), обезвреживаются в две ступени. На первой элементы, находящиеся в высшей (или высокой) степени окисления, восстанавливаются до низшей (или промежуточной) валентности, при которой данный элемент на второй ступени очистки может быть выделен из жидкой фазы в виде осадка, газа или переведен в малотоксичную форму.

К физико-химическим методам относятся коагуляция, флокуляция, флотация, сорбция, адсорбция, экстракция, ионный обмен.

Коагуляция – процесс укрупнения коллоидных частиц в жидкости за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия. Коагуляция не только приводит к слипанию частиц, но и нарушает агрегативную устойчивость полидисперсной системы, в результате чего происходит разделение твердой и жидкой фаз.

Флотацией называется процесс выделения из воды в пенный слой взвешенных и эмульгированных загрязнений в результате прилипания к пузырькам газа, подаваемого снизу в очищаемой жидкости.

Сорбция представляет собой метод глубокой очистки производственных сточных вод от растворенных органических и некоторых неорганических загрязнений. В процессах водообработки она может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими биологическими, химическими методами. Сорбция позволяет не только выделить и сконцентрировать загрязнения, но и утилизировать их в технологическом процессе, а очищенные воды использовать в оборотном водоснабжении.

Механизм адсорбции заключается в переходе молекулы растворенного вещества из объема жидкости на поверхность твердого сорбента под действием его силового поля. В качестве сорбентов используют различные естественные и искусственные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, цеолиты, активные глины и др. Особенно широко для этих целей применяются активированные угли, удельная поверхность адсорбции достигает 400 - 900 м 2 /г.

Для концентрированных сточных вод, содержащих органические загрязнения, представляющие техническую ценность, эффективным методом очистки является экстракция. Она основана на смешивании двух взаимонерастворимых жидкостей (одна из которых сточная вода) и распределении в них, согласно растворимости, загрязненного вещества.

Ионный обмен - извлечение катионов и анионов из растворенных в сточных водах загрязнений при помощи ионитов, являющихся твердыми природными или искусственными материалами (например, искусственные ионообменные смолы). Извлеченные при помощи ионного обмена вещества в дальнейшем утилизируются или уничтожаются. Катиониты вступают в обмен с катионами, аниониты - с анионами.